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专利号: 2024108972556
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,包括:S1设计硬件和光路;

S2相机标定,利用单点激光雷达与双目相机相配合,在短距离测距中,利用双目相机获取激光红光的三维坐标值,并以激光红光的三维坐标值为标准求取相机外参数初值,通过多个红光点的三维坐标值建立约束函数,通过优化算法对约束函数进行优化,得到相机外参数;

S3测量海浪参数,通过摄影测量系统获得目标海域序列影像后,通过标定、立体校正与匹配、获得视差图和深度图进行实时图像处理操作,提取目标的实时相对位置即波高,根据得到的波高的时间序列离散数据,解算出与波高 对应的波长 、周期 、波速 ;

S4根据海浪信息完成外参数的更新,通过周期T,使用光开关控制红光发射点在一周期T时间内发射一次激光,并控制激光在海面最高点,再根据三维坐标P和距离值,与上一周期的三维坐标和距离值组成一组数据,通过计算更新参数,完成周期性参数更新;

在一段周期内设定相机是标定好的,基于标定好的外参数,选取单位周期内三个像素点求取海平面方程,再由海平面方程获得海浪高程计算式,周期性取点获得高程信息。

2.根据权利要求1所述的一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,S1包括,FMCW波雷达用回波信号和发射信号的一部分进行相干混频,得到包含目标的距离和速度信息的中频信号,对中频信号进行检测得到目标的距离和速度;

光路采用1550nm近红外光和650nm红光两个波长的激光,650nm红光与1550nm近红外光通过二向色镜合束后一同经光纤耦合器耦合到光纤中,光纤中的650nm红光和1550nm近红外光输入到光开关,通过光开关的触发控制电平从一路二路输出,光纤末端有梯度折射率透镜,两个梯度折射率透镜与扩束发射光路光轴有相等的微小偏离 ,经扩束发射光路发出,通过切换光开关在海面打出两个光斑,650nm红光与1550nm近红外光的光斑是重合的,以重合光斑作为海面控制点,通过1550nm近红外光获得海面的测距信息。

3.根据权利要求2所述的一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,S2包括,S2.1坐标转换,根据针孔成像模型建立像素坐标系 、物理成像坐标系和相机坐标系 ,坐标转换式为:;

式中, 表示利用双目相机的测距功能获取点在相机坐标系下的深度值,是 点在相机坐标系下的三维信息, 是 点在像素坐标系下的坐标,由灰度重心法获得, 为相机 方向对应的焦距, 是像素坐标系下的像主点坐标;

S2.2外参求值,假设激光测距器的返回距离值为L,P的相机坐标为:;

式中, 为光线与相机坐标轴之间的夹角, 为激光光心点在相机坐标系下的偏移,光线与相机轴之间的坐标满足以下式:;

光点P的相机坐标改写为:

由坐标转换公式求得点P在相机坐标系下坐标,求得激光红光到标定板的距离,利用光开关控制激光同时发射出两束红光,获得两个点的三维信息 、和两个距离信息 ,求解出 :

4.根据权利要求3所述的一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,相近波谷底与波峰顶之间垂向的长度为波高,将观测所得的全部波高值相加,然后除以波高总个数,得到平均波高值,对于有连续N个波中最大的前百分之十波的平均值就是平均波高:;

式中, 表示平均波高, 表示第 个波高;

波列中最大的1/3个大波的平均值叫做有效波高::

式中, 表示有效波高。

5.根据权利要求4所述的一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,S3包括,摄影测量系统在一定高度俯视目标,存在观测俯视角 , 为海浪在一段时间内起伏高度, 为摄影测量系统在深度信息图下的观测值,也是 在观测方向上的投影,最终的测量结果为:;

在测得波高后,获得相邻两个波峰或波谷所对应的时间点,作差得到一个波浪的周期,T、波长 及波速c相关联,波长 与波速c与T的关系式如下:;

式中,是重力加速度。

6.根据权利要求5所述的一种单点红光激光雷达实时更新海浪参数的方法,其特征在于,S4包括,S4.1假设平均海平面方程为:;

式中, 是海平面, 是三个未知系数, 是海面坐标,相机完成标定后,选取至少三个海浪像素点的三维坐标求取出平均海平面方程的三个未知系数;

设三个海浪像素点A、B、C的世界坐标系坐标分别为 、 、,将三个海浪像素点坐标代入到平均海平面方程中,依据克莱姆法求出 ,联立方程求出 、:;

S4.2获取平均海平面方程后,利用三维空间点到三维空间平面之间的距离公式获取海浪的高程信息,假设海浪表面上一点的世界坐标为 ,有海浪高程 计算公式:;

获得海浪高程信息,计算这段周期内海浪等级, 且 为微浪, 且 为中浪。